ITMI20060370A1

ITMI20060370A1 - Dispositivo ottico con ridotta dipendenza dalla temperatura

Info

Publication number: ITMI20060370A1
Application number: IT000370A
Authority: IT
Inventors: Hindrik Freek Bulthuis; Michael G Jubber; Tony C Kowalczyk
Original assignee: Gemfire Corp
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2006-09-05
Also published as: US7689072B2; WO2006096602A2; KR20070112233A; KR20080059367A; US20060198579A1; KR100950023B1; AU2006220753B2; TW200643498A; GB2423829B; EP1869515A2; JP2008532094A; KR101189900B1; CN1952709A; IL185661A; GB0719245D0; US7397986B2; TWI448755B; KR20060096340A; US20080226232A1; CA2599933C

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo

"DISPOSITIVO OTTICO CON RIDOTTA DIPENDENZA DALLA TEMPERATURA"

STATO DELLA TECNICA

1. Campo dell'invenzione

L'invenzione di riferisce in generale a dispositivi a reticolo ottico e più in particolare a tecniche per rendere questi dispositivi indipendenti dalla temperatura.

2. Descrizione della tecnica relativa

I computer e i sistemi di comunicazione manifestano un'esigenza sempre crescente per ampiezze di banda dei collegamenti di comunicazione. In generale, è noto che le fibre ottiche offrono un'ampiezza di banda molto più elevata rispetto ai collegamenti coassiali convenzionali. Inoltre, un singolo canale ottico in una guida d'onda a fibra ottica utilizza una piccola frazione dell'ampiezza di banda disponibile della fibra. Nei sistemi di comunicazione ottica a multiplazione a divisione della lunghezza d'onda (WDM), una pluralità di portanti di lunghezza d'onda ottica trasmette canali di comunicazione indipendenti lungo una singola fibra ottica. Mediante la trasmissione di diversi canali a lunghezze d'onda diverse in una fibra, la capacità dell'ampiezza di banda di una fibra ottica viene sfruttata in modo effettiva.

La multiplazione e la demultiplazione a fibra ottica sono state ottenute utilizzando un dispositivo (AWG) a reticolo di guide d'onda a schiera. Un AWG è una struttura planare comprendente una serie ordinata di guide d’onda disposte tra accoppiatori di entrata e di uscita e disposte lato a lato Γυηα con l’altra, le quali agiscono insieme come un reticolo di diffrazione in uno spettrometro. Ogni guida d'onda differisce in lunghezza rispetto alla sua guida d'onda più vicina di una misura predeterminata e fissa. Le uscite dell’accoppiatore di uscita formano le uscite del dispositivo di multiplazione e demultiplazione. Durante il funzionamento, quando una pluralità di lunghezze d'onda separate e distinte viene applicata a porte di ingresso del dispositivo, segnate e distinte, si combinano e vengono trasmesse ad una porta di uscita. Lo stesso dispositivo può anche eseguire una funzione di demultiplazione in cui una pluralità di lunghezze d'onda di ingresso su una porta di ingresso dell'apparecchio vengono separate tra loro e dirette verso porte di uscita differenti e predeterminate. Gli AWG possono anche eseguire una funzione di istradamento in cui i segnali arrivano su una molteplicità di porte di ingresso e vengono istradate verso una molteplicità di porte di uscita diverse secondo una mappatura predefinita. La costruzione e il funzionamento di questi AWG è ben nota nella tecnica. Si vedano ad esempio, "PHASAR-based WDM-Devices: Principles, Design and Applications"; M K Smit, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics Vol. 2, No. 2 giugno 1996, e brevetto U.S. No. 5.002.350 e WQ97/23969, incorporati nel presente a titolo di riferimento.

I multiplatori e i demultiplatori a divisione della lunghezza d'onda richiedono un controllo preciso della differenza di lunghezza del percorso ottico effettivo tra guide d'onda adiacenti. La differenza di lunghezza del percorso ottico effettivo è definita come il prodotto dell'indice di rifrazione effettivo del modo fondamentale nella guida d'onda e la differenza di lunghezza del percorso fisico tra guide d’onda adiacenti. L'indice di rifrazione effettivo del modo fondamentale nelle guide d’onda e le differenze di lunghezza di percorso fisico tra guide d'onda adiacenti per multiplatori e demultiplatori a divisione di lunghezza d'onda attualmente disponibili sono entrambi tipicamente dipendenti dalla temperatura. In dispositivi multiplatori e demultiplatori ottici integrati convenzionali, il mezzo formante le guide d'onda a schiera ha una notevole dipendenza dalla temperatura che produce cambiamenti nella lunghezza d'onda di trasmissione centrale che può superare l'ampiezza di banda di trasmissione. Di conseguenza, le variazioni della temperatura che rientrano in un intervallo di temperature operative del dispositivo specificato (ad esempio da circa 0°C a circa 70°C) inducono uno spostamento della lunghezza d'onda che è inaccettabile a confronto con i requisiti tipici di accuratezza. Di conseguenza, i dispositivi ottici multiplatori/demultiplatori disponibili del tipo a schiera in fase vengono generalmente messi in funzione in un ambiente a temperatura controllata. Tipicamente, i circuiti di controllo con elementi riscaldanti vengono previsti allo scopo di mantenere il dispositivo ad una temperatura stabile maggiore della temperatura operativa specificata massima. Ma l'impiego di elementi riscaldanti per raggiungere una indipendenza dalla temperatura attiva non è auspicabile poiché ciò aumenta i costi globali, la grandezza e la complessità del dispositivo, riduce il tempo di utilizzo del dispositivo e consuma molta corrente. Normalmente richiede inoltre anche un’elettronica di controllo intelligente attiva e anche dopo può funzionare in modo diverso a seconda deH’orientamento fisico orizzontale/verticale del dispositivo. I raffreddatori Peltier possono anche essere impiegati ma, tuttavia, tali raffreddatori presentano molte delle inadeguatezze citate.

Nel caso di multiplatori a divisione della lunghezza d'onda convenzionali con un reticolo ottico a schiera in fase comprendente una pluralità di guide d’onda di silice e rivestimenti di silice, la variazione della lunghezza d’onda di canale come funzione della temperatura dipende in modo predominante dalla variazione positiva dell'indice di rifrazione effettivo delle guide d'onda in funzione della temperatura. Nel tentativo di compensare la variazione positiva dell'indice di rifrazione in funzione della temperatura per materiali a base di silice, sono stati impiegati materiali di sovrarivestimento polimerico aventi una variazione negativa dell’indice di rifrazione in funzione della temperatura. Tuttavia, un problema che si verifica con questa soluzione, è che con il variare della temperatura, varia la differenza dell'indice di rifrazione tra nucleo e rivestimento, e nel peggiore dei casi la luce può non essere in grado di essere guidata nella guida d’onda. Di conseguenza, dispositivi multiplatori/demultiplatori ottici con un reticolo del tipo a schiera in fase con un sovrarivestimento polimerico possono non risultare adatti per l'utilizzo per un’ampia gamma di temperature ambiente.

Un altro progetto proposto per mantenere una differenza di lunghezza del percorso ottico effettiva relativamente costante tra guide d'onda adiacenti in una schiera in fase coinvolge la localizzazione di un polimero in una scanalatura di forma triangolare o crescente nella schiera in fase oppure nella regione a lastra (slab) che accoppia la schiera in fase con le fibre di ingresso o di uscita. Il polimero può essere selezionato in modo tale che abbia una variazione negativa dell'indice effettivo di rifrazione in funzione della temperatura per compensare la variazione positiva dell'indice di rifrazione dei segmenti del nucleo di guida d'onda di silice in funzione della temperatura, inibendo in questo modo lo spostamento delle lunghezze d’onda di canale dovuto alle variazioni della temperatura operativa all'interno di un intervallo di temperature operative predeterminato. La scanalatura di polimero può essere divisa in più di una scanalatura incontrata dall'energia ottica in modo sequenziale per ridurre la lunghezza della propagazione di spazio libero attraverso ogni scanalatura.

L'utilizzo di scanalature riempite di polimero può migliorare sostanzialmente l'indipendenza dalla temperatura. AWG tipici che sono stati resi indipendenti dalla temperatura in questo modo possono ottenere uno spostamento di lunghezza d'onda del canale centrale soltanto da 0,03 a 0,05 nm su un intervallo di temperature operative tipico da -5 a 70°C. Tuttavia non è ancora abbastanza. Questi spostamenti limitano l'applicabilità del dispositivo soltanto a quell'intervallo di temperatura riportato e soltanto a sistemi con distanze fra i canali di circa 100 GHz o superiori, dove tale variazione sarebbe tollerabile. Non sono facilmente utilizzabili, ad esempio, in una recinzione con attrezzature per esterni in climi in cui sono possibili temperature di congelamento oppure in sistemi che richiedono una banda passante ampia e una distanza fra i canali minore di circa 100 GHz.

Un'altra importante categoria di tecniche che sono state studiate per ottenere l'indipendenza dalla temperatura ha natura meccanica, come tecniche che comprendono attuatori controllati dalla temperatura per posizionare attivamente i componenti del dispositivo l'uno rispetto all'altro. Questi possono comprendere, ad esempio, un attuatore bimetallico che aggiusta la posizione laterale della guida d'onda di ingresso rispetto alla regione a lastra di ingresso in accordo con la temperatura ambiente. Generalmente, queste tecniche sono complesse e costose da realizzare poiché le tolleranze di fabbricazione sono normalmente estremamente strette.

Di conseguenza, è un’esigenza urgente quella di proporre dispositivi a reticolo di guida d'onda a schiera che presentino una indipendenza dalla temperatura di gran lunga migliore su una gamma di temperature più ampia di quanto è stato precedentemente possibile o fattibile, senza richiedere un ambiente controllato da temperatura e senza richiedere le complessità e le strette tolleranze di fabbricazione dei metodi meccanici.

Nei metodi esistenti di indipendenza dalla temperatura delle scanalature riempite di polimero, il cambiamento dell'indice di rifrazione del materiale di guida d'onda a base di silice e del materiale di compensazione polimerico, si è presupposto come lineare con la temperatura. Si ignorano tipicamente effetti di ordine più elevato. Gran parte dei riferimenti che caratterizzano il cambiamento di indice di rifrazione di un materiale rispetto alla temperatura riportano anche soltanto un rapporto lineare tra i due quando misurato a temperature lontane dalla temperatura di transizione vetrosa del polimero. Le richiedenti hanno riconosciuto che il rapporto normalmente non è esattamente lineare e che la deviazione di queste variazioni dal rapporto lineare può essere responsabile di una parte consistente dell'imperfetta indipendenza dalla temperatura osservata in questi dispositivi. In un aspetto dell’invenzione, pertanto, in parole semplici, la selezione dei materiali prende in considerazione almeno l’effetto di secondo ordine dei materiali. Di conseguenza, un materiale di compensazione polimerico può essere identificato il quale compensa la variazione di lunghezza del percorso ottico effettivo nel materiale di guida d'onda con un'accuratezza di gran lunga migliore, oppure su un intervallo di temperature molto più ampio da -30°C a 70°C per esempio, o entrambi.

In un altro aspetto dell'invenzione, descritto in parole semplici, due diversi materiali di compensazione sono utilizzati per riempire una pluralità di fessure o regioni di compensazione inserite nei percorsi ottici. Le curve della lunghezza di percorso ottico rispetto alla temperatura dei due materiali di compensazione sono caratterizzate, per almeno il secondo ordine, come quello del materiale di guida d'onda di base. I due materiali di compensazione sono collocati in un certo numero diverso di scanalature in un rapporto adeguato in modo da creare il rapporto di lunghezze di interazione effettiva che è necessario allo scopo di minimizzare con precisione la dipendenza dalla temperatura della lunghezza del percorso ottico globale sia al primo che al secondo ordine. La tecnica può essere generalizzata ad un numero qualsiasi di diversi materiali di compensazione e alla neutralizzazione della dipendenza dalla temperatura della lunghezza del percorso ottico a qualsiasi ordine di caratterizzazione.

In un aspetto dell'invenzione, descritto in modo semplice, l'apparecchio ottico presenta una pluralità di bande passanti ed una lunghezza d'onda centrale, e le derivate di primo ordine fino all'ordine Q' rispetto alla temperatura della lunghezza d'onda centrale, Q>=2, sono sostanzialmente uguali a zero in tutto l'intervallo di temperatura da 0°C a 70°C, da -5°C a 70°C, da -30°C a 70°C, o da -50°C a 90°C. L'apparecchio può comprendere una pluralità di percorsi ottici che porta energia ottica dalla porta di ingresso alla porta di uscita attraverso una pluralità di materiali, ogni materiale avendo una dipendenza dalla temperatura dell’indice di rifrazione effettiva che differisce da quella degli altri materiali. In alternativa o in aggiunta, l'apparecchio può comprendere una guida d'onda in comunicazione ottica con una particolare delle porte di ingresso e di uscita, e un elemento di compensazione della temperatura che regola la posizione fisica della guida d’onda rispetto al reticolo di guida d'onda a schiera a seconda della temperatura.

In un altro aspetto dell'invenzione, descritto brevemente, l'apparecchio ottico comprende una pluralità di percorsi ottici attraverso un sistema di materiali, ogni percorso ottico avendo una rispettiva lunghezza di percorso ottico effettivo che differisce da quella di un percorso ottico adiacente di una differenza rispettiva di lunghezza di percorso ottico effettivo e le derivate di primo ordine fino all’ordine Q' rispetto alla temperatura di ciascuna delle differenze di lunghezza di percorso ottico, Q>=2, sono sostanzialmente uguali a zero in tutto l'intervallo di temperature da 0°C a 70°C, da -5°C a 70°C, da -30°C a 70°C, o da -50°C a 90°C. L'apparecchio può comprendere una pluralità di percorsi ottici che portano energia ottica dalla porta di ingresso alla porta di uscita attraverso una pluralità di materiali, ogni materiale avendo una dipendenza dalla temperatura dell'indice di rifrazione effettiva che differisce da quella degli altri materiali. In aggiunta, ogni x'esimo dei materiali può avere una rispettiva distanza di propagazione fisica totale lungo ciascuno dei percorsi ottici che differisce dalla distanza di propagazione fisica totale attraverso l’xesimo materiale lungo uno adiacente dei percorsi ottici di una differenza di lunghezza di percorso fisico rispettiva ΔLx, ogni ΔLxrimanendo sostanzialmente costante con la temperatura per tutto l'intervallo di temperature.

In un altro aspetto dell’invenzione, descritto brevemente.

l'apparecchio ottico presenta una pluralità di percorsi ottici attraverso un sistema di materiali, ogni percorso ottico attraversando almeno tre materiali, ogni materiale avendo una dipendenza dalla temperatura dell'indice di rifrazione effettivo che differisce da quella degli altri materiali, ciascun percorso ottico avendo una lunghezza di percorso ottico effettivo rispettiva che differisce da quella di un percorso ottico adiacente di una differenza rispettiva di lunghezza di percorso ottico effettivo e le derivate di primo ordine fino a Q rispetto alla temperatura di ciascuna delle differenze di lunghezza di percorso ottico, Q>=1, sono sostanzialmente uguali a zero in tutto l'intervallo di temperature da 0°C a 70°C, da -5°C a 70°C, da -30°C a 70°C, o da -50°C a 90°C. In una forma di realizzazione, ogni x-esimo dei materiali ha una distanza di propagazione fisica totale rispettiva lungo ciascuno dei percorsi ottici che differisce dalla distanza di propagazione fisica totale attraverso l'xesimo materiale lungo uno adiacente dei percorsi ottici di una differenza rispettiva di lunghezza di percorso fisico ΔΙ_Χ,ogni ΔΙ_Χrimanendo sostanzialmente costante con la temperatura per tutto l'intervallo di temperature.

In un altro aspetto dell'invenzione, descritto brevemente, un apparecchio a reticolo di guida d'onda a schiera presenta una pluralità di percorsi ottici da un ingresso ad un'uscita, comprendente un materiale di base e almeno una regione di compensazione, l'almeno una regione di compensazione collettivamente contenendo almeno un primo e un secondo materiale di compensazione che intersecano i percorsi ottici ed avendo dipendenze dalla temperatura dell'indice di rifrazione effettivo che differiscono le une dalle altre e da quelle del materiale di base. In una forma di realizzazione, una prima delle regioni di compensazione comprende sia un primo che un secondo materiale di compensazione. Il primo e il secondo materiale di compensazione possono essere disposti in diversi Strati nella prima regione di compensazione. In alternativa, la prima regione di compensazione può comprendere inoltre un terzo materiale di compensazione, in cui il primo materiale di compensazione è disposto in uno strato inferiore nella prima regione di compensazione, il secondo materiale di compensazione è disposto in uno strato mediano nella prima regione di compensazione, e il terzo materiale di compensazione è disposto in uno strato superiore nella prima regione di compensazione, e in cui il secondo materiale di compensazione ha un indice di rifrazione superiore di quello di entrambi il primo e il terzo materiale di compensazione. Quando l'apparecchio a reticolo di guida d’onda a schiera comprende nel materiale di base uno strato di rivestimento inferiore, uno strato di nucleo che si sovrappone alla regione di rivestimento inferiore ed uno strato di rivestimento superiore che si sovrappone allo strato di nucleo, e il secondo materiale di compensazione può essere sostanzialmente complanare con lo strato di nucleo nel materiale di base.

In un'altra forma di realizzazione, descritto brevemente, una delle regioni di compensazione può comprendere il primo materiale di compensazione e non il secondo materiale di compensazione. In tale forma di realizzazione, l'almeno una regione di compensazione può contenere collettivamente una pluralità di materiali di compensazione comprendenti il primo e il secondo materiale di compensazione, tutti i materiali di compensazione nella pluralità di materiali di compensazione intersecando i percorsi ottici ed avendo dipendenze dalla temperatura dell'indice di ritrazione effettivo che differiscono le une dalle altre e da quelle del materiale di base, e in cui ogni regione di compensazione comprende esattamente uno dei materiali di compensazione.

In una qualsiasi delle forme di realizzazione di cui sopra, descritto brevemente, il primo materiale di compensazione può comprendere una pluralità composita di sotto materiali, la dipendenza dalla temperatura dell'indice di rifrazione effettivo del composito essendo l'indice di rifrazione effettivo del primo materiale di compensazione. I sotto materiali possono essere stratificati in modo tale da formare il composito. In alternativa, un primo dei sotto materiali può essere lo stesso del materiale di base ed un secondo dei sotto materiali ha una dipendenza dalla temperatura dell'indice di rifrazione effettivo che differisce da quella del materiale di base e da quella del composito.

In una forma di realizzazione, uno dei materiali di compensazione può inoltre compensare la bi-rifrangenza del materiale di base.

In un altro aspetto dell'invenzione, descritto brevemente, un apparecchio a reticolo di guida d'onda a schiera presenta una pluralità di percorsi ottici da un ingresso ad un'uscita, comprendente un materiale di base e una pluralità di regioni di compensazione, un primo sottogruppo di almeno una delle regioni di compensazione contenendo un primo materiale di compensazione, e un secondo sottogruppo di almeno una delle fessure contenendo un secondo materiale di compensazione, in cui il primo e un secondo materiale di compensazione hanno dipendenze dalla temperatura dell'indice di rifrazione effettivo che differiscono dalle altre e da quella del materiale di base. In una forma di realizzazione, il materiale di base potrebbe comprendere silice, e il primo e il secondo materiale di compensazione potrebbero essere polimeri.

In un altro aspetto dell’invenzione, descritto brevemente, l'apparecchio ottico ha una pluralità di percorsi ottici attraverso un sistema dei materiali ciascun percorso ottico attraversando un numero X di materiali, e in cui

è sostanzialmente pari a zero, in cui ogni nq, x,è una q-esima derivata rispetto alla temperatura dell'indice di rifrazione effettivo di ogni xesimo dei materiali, in cui ogni AL è l'incremento di lunghezza di percorso fisico totale del materiale x fra percorsi ottici adiacenti, e in cui Q>=2 o X>=3 o entrambi. In una forma di realizzazione, X>=Q+1. Quando i materiali X sono costituiti da un materiale di base e da materiali di compensazione X-1, l'apparecchio può comprendere almeno regioni di compensazione X-1 formate nel materiale di base, ciascuna regione di compensazione contenendo esattamente uno dei materiali di compensazione, le regioni di compensazione essendo allocate ai materiali di compensazione X-1 sostanzialmente in proporzione agli incrementi di lunghezza di percorso fisico totali ΔLxdei materiali di compensazione.

In un altro aspetto dell’invenzione, descritto brevemente, l’apparecchio ottico presenta una pluralità di percorsi ottici attraverso un materiale di base aventi una prima incavatura contenente un materiale diverso che interseca i percorsi ottici, ed almeno uno dei bordi a valle e a monte della prima incavatura è inclinato rispetto alla verticale di un angolo di inclinazione compreso tra 5 e 20 gradi. Il materiale di base può inoltre avere una seconda incavatura che interseca i percorsi ottici, in cui entrambi i bordi a monte e a valle di entrambe la prima e la seconda incavatura sono inclinati rispetto alla verticale di un angolo di inclinazione compreso tra 5 e 20 gradi.

In un altro aspetto dell’invenzione, descritto brevemente, l'apparecchio ottico presenta una pluralità di percorsi ottici attraverso un materiale di base avente una pluralità di regioni di compensazione formate in esso, le regioni di compensazione contenendo materiale di compensazione per compensare una dipendenza termica dell'indice di rifrazione effettivo del materiale di base, e in cui le regioni di compensazione sono disposte in modo consecutivo lungo i percorsi ottici su un passo che varia linearmente dalla regione più a monte delle regioni di compensazione alla regione più a valle delle regioni di compensazione. In una forma di realizzazione, in cui uno particolare dei percorsi ottici porta energia ottica con una particolare lunghezza d’onda attraverso le regioni di compensazione, la variazione del passo dalla regione più a monte delle regioni di compensazione sino alla regione più a valle delle regioni di compensazione è all’incirca pari a M volte la lunghezza d'onda particolare, in cui M è un numero intero ed è preferibilmente uguale a 1.

In un altro aspetto dell'invenzione, descritto brevemente, l'apparecchio ottico presenta un dispositivo a reticolo di guida d'onda a schiera avente una porta d'uscita in comunicazione ottica con una porta d’entrata attraverso un reticolo di guida d'onda a schiera, una guida d'onda in comunicazione ottica con una particolare delle porte d'ingresso e di uscita, e un elemento di compensazione della temperatura che regola la posizione fisica della guida d'onda lateralmente rispetto al reticolo di guida d'onda a schiera sostanzialmente secondo la funzione

per valori predeterminati di ciascun kqe per tutto un intervallo di temperature da -5°C a 70°C. In una forma di realizzazione, in cui Q=2, e in cui il dispositivo di reticolo di guida d'onda a schiera presenta un indice di rifrazione approssimato alla temperatura di

ki può essere correlato a k2sostanzialmente attraverso:

In un altro aspetto dell'invenzione, descritto brevemente, l'apparecchio ottico presenta un dispositivo a reticolo di guida d'onda a schiera comprendente una porta di uscita in comunicazione ottica con una porta di ingresso attraverso un reticolo di guida d’onda a schiera, in cui l'apparecchio presenza una pluralità di bande passanti compresa una banda passante in oggetto, la banda passante in oggetto avendo una lunghezza d'onda centrale, e in cui la lunghezza d'onda centrale varia di meno di 70 pm per un intervallo di temperatura da -50°C a 90°C. In una forma di realizzazione, la lunghezza d’onda centrale varia di non più di 40 pm per l'intervallo di temperatura da -50°C a 90°C. In alternativa, la lunghezza d'onda centrale della banda passante in oggetto varia di meno di 20 pm su un intervallo di temperatura da 0°C a 70°C. In una forma di realizzazione, la lunghezza d'onda centrale varia di non più di 10 pm su un intervallo di temperatura da 0°C a 70°C.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

L'invenzione verrà ora descritta relativamente a sue forme di realizzazione specifiche, e verrà fatto riferimento ai disegni, in cui:

la figura 1 illustra la risposta spettrale di un AWG caratteristico che funziona come demultiplatore a divisione della lunghezza d’onda.

La figura 2 è un grafico che illustra la trasmittanza in un singolo canale di un AWG convenzionale a temperature ambiente di -5°C, 35°C, e 75°C.

La figura 3 è un grafico rappresentativo dello spostamento della lunghezza d'onda centrale in funzione della temperatura per AWG non resi indipendenti dalla temperatura, resi indipendenti dalla temperatura in primo ordine, resi indipendenti dalla temperatura in secondo ordine.

Le figure 4 e 4A illustrano AWG che incorporano caratteristiche dell'invenzione.

Le figure 5 e 5A illustrano viste in sezione trasversale di diverse forme di realizzazione, di parti della regione di guida d'onda a lastra in figura 4.

Le figure 6, 7 e 8 sono grafici dell’indice di rifrazione in relazione alla temperatura per tre materiali diversi.

Le figure 9A-9F e 10A-10D illustrano diverse disposizioni di regioni di compensazione nella regione di accoppiamento di ingresso dell'AWG di figura 4.

La figura 10 illustra le approssimazioni dei raggi di percorsi ottici nell'AWG della figura 4.

Le figure 11A-11H illustrano diverse disposizioni dei materiali di compensazione nelle regioni di compensazione di un AWG.

La figura 12 illustra una parte di un apparecchio ottico incorporante aspetti della presente invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La seguente descrizione è fornita in modo da consentire ad un esperto nel ramo di realizzare e di utilizzare l'invenzione, ed è fornita nel contesto di una particolare applicazione e suoi requisiti. Varie modifiche alle forme di realizzazione descritte sono chiaramente evidenti ad un esperto nel ramo e i principi generali definiti nella presente descrizione possono essere applicati ad altre forme di realizzazione ed applicazioni senza scostarsi dallo spirito e dalla portata della presente invenzione. Così, la presente invenzione non intende essere limitata alle forme di realizzazione illustrate ma deve essere interpretata in un modo più ampio coerente con i principi e con le caratteristiche descritti nella presente.

La figura 1 illustra la risposta spettrale di un AWG tipico che agisce come demultiplatore a divisione della lunghezza d'onda. Il grafico illustra la trasmittanza osservata a ciascuna di una pluralità di diversi canali di uscita differenti, tutti sovrapposti su un singolo grafico. In alternativa il grafico illustra la risposta spettrale di AWG tipico che funziona come multiplatore a divisione della lunghezza d'onda, con la trasmittanza da ciascuno di una pluralità di canali di ingresso diversi ad una uscita comune sovrapposta su un singolo grafico. Ogni curva di trasmittanza presenta un lobo principale che raggiunge il suo picco a circa -5dB, ed ha una frequenza centrale fcche varia in modo incrementale da canale a canale con una distanza sostanzialmente uguale tra le frequenze centrali di canali adiacenti. Le frequenze centrali non devono essere distanziate equamente nelle diverse forme di realizzazione degli AWG. La lunghezza d'onda centrale λc è correlata alla frequenza centrale λc=c/fc, dove c è la velocità della luce. La lunghezza d'onda centrale λc è definita nella presente come la media delle due lunghezze d’onda per cui la trasmittanza è metà della trasmittanza di picco per uno stato di polarizzazione media.

La figura 2 è un grafico che illustra la trasmittanza in un singolo canale di un AWG convenzionale a temperatura ambiente di -5°C, 35°C e 75°C. Si può vedere che la lunghezza d'onda centrale aumenta con l'aumentare della temperatura. La variazione della lunghezza d'onda centrale con la temperatura è all’incirca la stessa per ciascun canale, cosicché l'analisi della variazione della lunghezza d’onda centrale per un canale per gran parte di progetti AWG è rappresentativa di tutti i canali del progetto. Agli scopi della presente discussione il canale centrale è utilizzato sia all’entrata che all’uscita. Lo spostamento della lunghezza d'onda centrale con la temperatura è problematico in applicazioni multiplex/demultiplex perché l'energia ottica entrante non si sposta. L’energia ottica entrante per un dato canale ha gran parte della sua potenza concentrata all'interno del lobo principale della banda passante di AWG corrispondente cosicché la banda passante si sposta in lunghezza d'onda, la perdita del canale può diventare sostanziale. Si può vedere che le perdite possono essere accettabili entro un intervallo di temperature predeterminato per esempio tra 0°C e 70°C ma non sono accettabili fuori da questo intervallo. In alternativa, si può vedere che le perdite possono essere accettabili al di sopra di una distanza della lunghezza d'onda fra canali predeterminata (consentendo un AWG progettato con bande passanti più ampie) ma non accettabili per distanze tra i canali più ridotte (richiedendo un AWG progettato con bande passanti più strette). In applicazione di filtraggio, uno spostamento nella lunghezza d'onda centrale delle bande passanti può far sì che il segnale risultante sia fuori dalla specifica e inappropriato per componenti a valle.

La figura 3, curva 310, è un grafico rappresentativo dello spostamento di lunghezza d'onda centrale in funzione della temperatura. Questo grafico vale per un AWG tipico di silice avente una variazione di primo ordine rispetto alla temperatura sull’ordine di 9 x 10-. Anche se gli estremi di temperatura non sono visibili in figura 3, la lunghezza d'onda centrale si sposta al massimo di 0,8 nm su un intervallo di temperatura ambiente da -5°C a 70°C.

Per un AWG, la lunghezza d'onda centrale λcè data da

in cui neffè l'indice di rifrazione effettivo nella guida d'onda, ΔL è l'incremento in lunghezza fra guide d'onda adiacenti nella schiera e m è l'ordine del reticolo. La dipendenza dalla temperatura della lunghezza d'onda centrale aumenta poiché variano con la temperatura sia neffsia ΔL anche se la dipendenza dalla temperatura di neffè tipicamente molto più significativa. Infatti come sarà spiegato di seguito la dipendenza dalla temperatura di ΔL può essere assorbita in quella di neffsenza perdere molta precisione.

Per migliorare il comportamento atermico di un AWG, una tecnica convenzionale implica la sostituzione di un materiale diverso in parte del percorso ottico all’interno del AWG. In particolare la tecnica convenzionale implica l'attacco chimico delle fessure attraverso il vetro e il loro riempimento con un polimero. Le fessure definiscono "regioni” del materiale polimerico, che come usato nella presente si riferisce alla regione bidimensionale come vista dall'alto del piano della guida d’onda. Il polimero viene normalmente scelto in modo da avere un indice di rifrazione effettivo che varia rispetto alla temperatura nella direzione opposta da quella del vetro, anche se al loro posto è possibile utilizzare polimeri aventi un indice di rifrazione effettivo che varia nella stessa direzione di quella del vetro se vengono apportate altre modifiche come descritto di seguito. Le dipendenze dalla temperatura sono state modellizzate soltanto in senso lineare (cioè prim'ordine) così la seguente analisi può essere utilizzata per selezionare o progettare un polimero target. In particolare in un AWG che è stato reso in modo convenzionale indipendente dalla temperatura tramite attacco chimico delle fessure attraverso le guide d'onda di vetro e attraverso il loro riempimento con un polimero, la lunghezza d'onda centrale è data da

in cui nged npsono gli indici di rifrazione effettivi del vetro e del polimero rispettivamente, ΔLgè l'incremento tra guide d'onda adiacenti nella lunghezza fisica totale dei segmenti di vetro incontrati in senso longitudinale dall'energia ottica, e ΔLΡè l'incremento tra guide d'onda adiacenti nella lunghezza fisica totale dei segmenti polimerici incontrati in senso longitudinale dall'energia ottica. I parametri nged npsono quindi modellizzati in modo da avere una variazione lineare con la temperatura, ovvero:

in cui

Ogni materiale è pertanto caratterizzato da due termini di indice di rifrazione, un termine di ordine 0 n0xe un termine di primo ordine nix.

Per il comportamento atermico, λcè una costante, cioè

Presupponendo così

perché i contributi da ΔL sono trascurabili oppure perché i loro contributi sono stati assorbiti in quelli degli indici di rifrazione effettivi, allora

il comportamento atermico richiede

sostituendo si ottiene nged np

o

Pertanto se un particolare polimero viene scelto e la sua variazione linearizzata rispetto alla temperatura è di n1p, allora la tecnica convenzionale produrrebbe un rapporto ΔLp/ΔLg,il rapporto dell'incremento di lunghezza fisica del polimero totale tra guide d'onda adiacenti nella schiera rispetto all'incremento di lunghezza fisica del vetro totale tra guide d’onda adiacenti nella schiera. Questo rapporto potrebbe poi essere usato per determinare la lunghezza necessaria totale del polimero nel percorso ottico che potrebbe poi essere divisa secondo altri principi in una pluralità di fessure riempite di polimero. Un AWG realizzato secondo questa tecnica di ottenimento dell'indipendenza dalla temperatura in senso lineare potrebbe presentare una dipendenza dalla temperatura della lunghezza d'onda centrale in qualche modo come la curva 320 in figura 3. Si può vedere che un tale dispositivo potrebbe avere un migliore comportamento atermico rispetto alla versione rappresentata dalla curva 310, ma varia ancora di circa 40 pm sull'intervallo di temperature da -5°C a 70°C.

Si noti che le espansioni Taylor lineari della dipendenza dalla temperatura di nged npsono valutate a T=0C in (eq. 4), ma si poteva scegliere in sostituzione qualsiasi altra temperatura di valutazione T0. Parlando in termini più specifici, queste espansioni di Taylor sono valide soltanto alla temperatura o specifica o vicino alla temperatura specifica. In linea teorica i valori per n0xed n1xsarebbero stati determinati inserendo in una linea diritta soltanto i dati che sono presi molto vicini ad una temperatura selezionata alla quale temperatura ottimale si desidera la stabilità. Tipicamente ciò sarebbe il centro dell'intervallo di temperature operative desiderate o eventualmente la temperatura operativa più comune attesa. Tuttavia, affidandosi unicamente ai dati presi molto vicino ad una singola temperatura, il progettista può perdere grande deviazioni dalla lineare verso gli estremi dell'intervallo di temperature operative desiderato. In pratica, pertanto, un progettista può utilizzare i dati presi in tutta la gamma di temperature operative desiderata allo scopo di determinare i valori per n0x ed n1x. Tale strategia può migliorare la stabilità della temperatura del dispositivo risultante verso gli estremi dell'intervallo di temperature operative ma soltanto a scapito della stabilità della temperatura al centro dell'intervallo di temperature operative. Altri progettisti potrebbero pensare ad altri equilibri nel compromesso tra stabilità nel centro rispetto alla stabilità verso gli estremi dell’intervallo di temperature operative.

Si può vedere, tuttavia, che la necessità di queste strategie nasce perché la variazione dell'indice di rifrazione effettivo rispetto alla temperatura né per i polimeri né per il vetro è esattamente lineare. Se questi valori fossero modellizzati quadraticamente (cioè se fossero presi in considerazione termini di secondo ordine), allora:

in cui

Possiamo pertanto scrivere

e

Sostituendo queste in (eq. 8) per il comportamento atermico si ottiene

oppure ridisponendo e raccogliendo i termini in T,

Così, una volta prese in considerazione le dipendenze di secondo ordine degli indici di rifrazione effettivi del vetro e del polimero si può vedere che il comportamento atermico vero richiede non soltanto

(eq. 17) ma anche

(eq. 18) Polinomiali di secondo ordine, singolo polimero

La figura 4 illustra un multiplatore/demultiplatore a divisione della lunghezza d'onda di AWG che è sfato reso indipendente dalla temperatura prendendo in considerazione le dipendenze dalla temperatura di secondo ordine. Comprende un substrato o "matrice" (non illustrata) avente su di esso un reticolo di guida d'onda a schiera 415 (anche chiamata regione prismatica) costituito da una schiera di guide d'onda di canale 418, di cui ne sono illustrate soltanto alcune che sono accoppiate otticamente fra due regioni di accoppiamento 413 e 414 di guida d'onda planari (lastre). Almeno una guida d'onda di ingresso 412 è accoppiata otticamente ad una superficie di ingresso 419 della prima guida d’onda a lastra 413 per immettere in essa un segnale di ingresso multiplato ed una pluralità di guide d’onda di uscita 410 (solo alcune illustrate) sono accoppiate otticamente ad una superficie di uscita 420 della seconda guida d'onda a lastra 414 per emettere in uscita rispettive uscite di canale di lunghezza d'onda rispettiva dalla stessa verso la superficie della matrice. In una forma di realizzazione, le guide d'onda di entrata e di uscita 412 e 410 sono integrate preferibilmente sulla stessa matrice del reticolo 415 e le due regione di accoppiamento 413 e 414, ma in un'altra forma di realizzazione possono essere fibre ottiche ad esempio, oppure sistemi di lenti. Le geometrie delle regioni di guida d'onda a lastra 413 e 414 sono entrambe ben note e descritte ad esempio nel brevetto U.S. No.

6.768.842, incorporato nel presente a titolo di riferimento. Il dispositivo della figura 4 può essere attivato come multiplatore anziché semplicemente demultiplatore invertendo la direzione del flusso dell'energia ottica. Inoltre, in alcune forme di realizzazione, la guida d'onda 412 in comunicazione ottica con la superficie di ingresso 419 della prima guida d'onda a lastra 413 è sostituita da una pluralità di guide d’onda in diverse posizioni lungo la superficie 419. Tipicamente, per identificare ogni singola guida d’onda di queste guide d’onda la cui posizione lungo la superficie 419 fornisce le prestazioni migliori, e che è la sola guida d'onda utilizzata nel funzionamento generale, si utilizza tipicamente una procedura di calibrazione a "nomo". In una tale forma di realizzazione, la guida d'onda 412 in figura 4 può essere pensata come la guida d'onda selezionata dalla pluralità. Ancora in altre forme di realizzazione, il dispositivo funziona come instradatore in cui ingressi multipli e uscite multiple sono contemporaneamente in uso.

In modo generalmente noto, esiste una differenza di lunghezza del percorso ottico effettivo predeterminata tra guide d’onda di canali adiacenti 418 nella schiera 415 (tipicamente la lunghezza fisica delle guide d'onda aumenta in modo incrementale della stessa misura da una guida d'onda a quella successiva), il che determina la posizione dei diversi canali di uscita della lunghezza d'onda sulla superficie di uscita 420 del secondo accoppiatore a lastra 414. Come è tipico per altri AWG la lunghezza fisica delle guide d'onda nella schiera aumenta in modo incrementale della stessa misura, ΔLg, da una guida d'onda a quella successiva.

L’energia ottica si propaga dalla guida d'onda di ingresso 412 alle guide d'onda in schiera 418 lungo una pluralità di percorsi ottici, ciascuno dei quali attraversa la regione a lastra 413 dalla guida d’onda d'ingresso ad una rispettiva guida d'onda a schiera 418. Nel caso generale, questi percorsi ottici sono influenzati da fattori come effetti di diffrazione, di riflessione e di rifrazione a livello delle interfacce polimero-vetro che potrebbero non poggiare esattamente lungo i raggi di linea diritta. Come utilizzato nella presente pertanto, il termine "percorso ottico" intende includere tutte le caratteristiche che influenzano l’effettiva lunghezza del percorso ottico in una qualunque misura significativa. Ma in molte disposizioni, percorsi di approssimazione dei raggi sono sufficientemente accurati per gli scopi della presente.

A tagliare questi percorsi vi è una pluralità di fessure orientate in senso trasversale (anche chiamate scanalature, incavature o più in generale regioni di compensazione) 430 riempite di un polimero avente un indice di rifrazione effettivo la cui dipendenza dalla temperatura è nota al secondo ordine (cioè sono noti n0P, n1ped n2p ). Le fessure 430 sono sagomate e dimensionate in modo tale che l'incremento della lunghezza fisica totale del polimero attraverso cui si propaga l’energia lungo i percorsi ottici attraverso la regione a lastra 413, ΔLP, soddisfi entrambe le (equazioni 17 e 18) di cui sopra.

La figura 5 è una sezione trasversale di una parte della regione di guida d’onda a lastra 413, presa lungo le linee 5-5' in figura 4. La guida d'onda a lastra comprende un substrato 510 che funziona da strato di rivestimento inferiore, uno strato di nucleo 512 che si sovrappone al rivestimento inferiore 510 e che ha un indice di rifrazione elevato, ed uno strato di rivestimento superiore 514 che ha un indice di rifrazione inferiore rispetto allo stato di nucleo 512. Come si può vedere, le fessure 430 tagliano sia il rivestimento superiore 514 sia lo strato di nucleo 512, e il rivestimento inferiore 510. In una forma di realizzazione, i bordi di entrata e di uscita (i bordi a monte e a valle indicati come direzione di flusso dell'energia ottica] delle fessure 430 sono inclinati di un piccolo angolo θ allo scopo di contribuire a minimizzare la retro-riflettanza. Preferibilmente θ è compreso tra 5 e 20 gradi, e può essere positivo o negativo. In un'altra forma di realizzazione, i bordi di entrata e di uscita sono sostanzialmente verticali (cioè, θ=0).

Come si può vedere, tutte le fessure sono disposte ad un passo costante, x0. Il passo x0 è scelto in modo da riaccoppiare efficacemente le perdite ed è all'incirca di 55 μm . Un passo costante può introdurre un certo comportamento del reticolo di riflessione, tuttavia, in una forma di realizzazione il passo è modificato leggermente da x0 tra fessure consecutive. Il comportamento del reticolo di riflessione è altamente sensibile alla regolarità del passo, mentre non lo è l’efficacia del riaccoppiamento. Pertanto, una lieve deviazione dal passo costante può impedire il comportamento del reticolo di riflessione senza compromettere in modo significativo l'effetto di riaccoppiamento. In una forma di realizzazione, la deviazione dal passo costante è casuale. In una forma di realizzazione maggiormente preferita, come illustrato in figura 5A, la deviazione dal passo costante è lineare, con il passo più piccolo fra le due fessure più a monte e il passo più grande tra le due fessure più a valle. Il picco varia di un totale di circa M volte la lunghezza d'onda effettiva della luce nel canale centrale dell'AWG attraverso il reticolo della fessura, dove M è un numero intero ed è preferibilmente uguale a 1. La lunghezza d'onda effettiva attraverso il reticolo della fessura è la lunghezza d'onda del canale centrale in un vuoto, diviso per l'indice medio sperimentato dalla luce passante attraverso i materiali che costituiscono il reticolo della fessura.

La struttura della figura 4 è fabbricata utilizzando tecniche ben note. In modo noto, le guide d'onda di trasmissione e le guide d’onda a lastra sono formate (ad esempio utilizzando tecniche standard fotolitografiche) come "nuclei" su substrati di silicio (uno strato di ossido e/o uno strato di rivestimento possono essere previsti sul substrato prima di depositare i nuclei di guida d’onda) e sono ricoperti con una materiale di rivestimento il tutto essendo effettuato ad esempio tramite processi di fabbricazione quali deposizione per idrolisi in fiamma (FHD) oppure deposizione chimica da fase vapore (CVD). Le fessure 430 sono poi attaccate a livello fotolitografico e il materiale di compensazione polimerico è applicato utilizzando un erogatore a siringa controllato a livello volumetrico e poi indurite termicamente oppure usando radiazione attinica a seconda della scelta del polimero. In alternativa, può essere depositato nelle fessure 430 un materiale tramite spruzzamelo catodico o altro metodo.

Si noti che in altre forme di realizzazione, non tutte le fessure riempite di polimero devono essere collocate nella prima regione di guida d'onda a lastra. In un'altra forma di realizzazione sono collocati nella regione della schiera delle guide d'onda 415, e nella seconda regione a lastra 414, oppure in una regione che si trova ai confini tra la schiera di guide d'onda 415 e una delle lastre 413 o 414. Ancora in un'altra forma di realizzazione, sono divisi tra tutte queste regioni in una qualsiasi combinazione desiderata.

La descrizione sopra riguardante le figure 4, 5 e 5A presuppone che il materiale di riempimento della fessura sia un polimero e i segmenti senza fessure dei percorsi ottici siano silice. In altre forme di realizzazione, è possibile utilizzare diverse combinazioni di materiali. Ad esempio, poiché l'indice di rifrazione di gran parte dei polimeri e l'indice di rifrazione della silice tendono a variare con la temperatura nelle direzioni opposte, la figura 4 illustra le fessure che sono più ampie all’estremità superiore rispetto all'estremità inferiore della fessura. In altri termini, il riempimento del polimero occupa un segmento più lungo dei percorsi ottici che hanno segmenti di silice più lunghi di quanto occupa dei percorsi ottici che hanno segmenti di silice più corti. Ciò vale allo scopo di soddisfare l'equazione 17. Secondo questa equazione, se mge mpsono di segno opposto, l’equazione può essere soddisfatta soltanto se l’incremento di lunghezza fisica dei segmenti riempiti di polimero in percorsi ottici adiacenti è dello stesso segno dell'incremento di lunghezza fisica dei segmenti di silice in percorsi ottici adiacenti - cioè soltanto se le fessure si allungano quando si procede attraverso la schiera 415 verso guide d'onda 418. In un'altra forma di realizzazione, come illustrato in figura 4A, le fessure possono essere riempite con un materiale la cui variazione di indice di rifrazione con la temperatura è dello stesso segno di quello del materiale di base. In questo caso le fessure 430A sono più ampie sul fondo che sulla sommità poiché l'equazione 17 richiede un incremento della lunghezza fisica nel materiale di compensazione da un percorso ottico a quello successivo, e l'incremento di lunghezza fisica nel materiale di base da un percorso ottico a quello successivo per avere segni opposti. Saranno chiare molte altre variazioni alcune delle quali verranno discusse di seguito.

La tecnica di resa dell'indipendenza dalla temperatura di secondo ordine richiede la conoscenza dei termini di primo e di secondo ordine per la dipendenza dalla temperatura degli indici di rifrazione effettivi dei materiali di vetro e di polimero. Questi non si ritiene siano generalmente disponibili in letteratura. Tuttavia, possono essere determinati a livello sperimentale misurando gli indici di rifrazione effettivi dei materiali a un numero di temperature diverse e inserendo i dati in un'equazione quadratica usando tecniche di interpolazione di curve ben note. Per adattare un'equazione quadratica sono necessarie almeno tre punti dati, ma preferibilmente se ne utilizzano molti più di tre per sviluppare il dispositivo risultante maggiormente stabile.

Polinomiali di ordine più elevato, singolo polimero

La tecnica di cui sopra può essere estesa per prendere in considerazione dipendenze dalla temperatura di ordine più elevato degli indici di rifrazione effettivi, fino a qualsiasi ordine Q. Per far ciò, le equazioni di cui sopra possono essere generalizzate definendo

in cui

Possiamo quindi scrivere

Sostituendo nell’equazione 8 il comportamento atermico si ottiene

La ridisposizione e la raccolta dei termini in ordine simili di T, dà

Questa equazione è soddisfatta se

ΔLgnqg+ΔLpnqp= 0 per tutti i q fra \ e Q, compresi, (eq. 24] Di conseguenza, in un'altra forma di realizzazione, un AWG è costruito nello stesso modo di quello illustrato in figura 4, ma il polimero, il vetro e i ΔL sono scelti in modo da soddisfare tutti i Q dei requisiti dell'equazione 24.

Dipendenze dalla temperatura compresa quella meccanica

Le tecniche di cui saprà possono essere inoltre estese per prendere in considerazione le dipendenze dalla temperatura non soltanto degli indici di rifrazione effettivi ma anche dei AL. In questo caso, il comportamento atermico richiede

con a che è il coefficiente di espansione termica meccanica del chip. Tuttavia, poiché ΔLPè di gran lunga minore di ΔLgin una forma di realizzazione tipica, il termine di espansione termica può essere assorbito in n1gsenza grave perdita di precisione. Inoltre, se ngè determinato empiricamente anziché essere ottenuto dalla letteratura, allora il valore determinato per n1gcomprenderà intrinsecamente i contributi dal termine di espansione meccanica. Preferibilmente, la determinazione empirica è realizzata utilizzando dati presi da un chip già confezionato allo stesso modo con cui lo sarebbe un prodotto finale, cosicché il confezionamento del prodotto finale influenzerà l’espansione meccanica presentata dal chip queste influenze sono presenti anche nel chip come testato. In alternativa la determinazione empirica può essere effettuata utilizzando dati presi da un chip non confezionato, ed uno strato cedevole e separa il chip dalla confezione nel prodotto finale.

L’accuratezza aggiuntiva può essere ottenuta inserendo il termine di espansione meccanica in proporzioni appropriate nei termini di primo ordine e di secondo ordine come segue:

Ciò è facilmente generalizzato a modelli polinomiali di ordine più elevato e a più di un polimero, il che sarà discusso nella presente di seguito.

Polinomi di secondo ordine, due polimeri

Tornando alla forma di realizzazione della resa di indipendenza dalla temperatura quadratica, può essere difficile identificare un polimero che soddisfi entrambi le equazioni (eq. 17) e (eq. 18) e che soddisfi anche tutti gli altri requisiti di fabbricabilità commerciale, come per esempio la bassa perdita di inserimento, la tolleranza al'umidità, la fotostabilità, e l’affidabilità a lungo termine. Mentre la letteratura riporta che la dipendenza dalla temperatura dell'indice di rifrazione di alcuni polimeri nelle loro zone quasi lineari al di sopra e al di sotto della temperatura di transizione vetrosa, e mentre sono noti meccanismi per costruire un polimero con un termine di dipendenza dalla temperatura di prim'ordine, raramente la letteratura riporta termini di dipendenza di secondo ordine oppure non lineari per questi polimeri.

In un aspetto dell'invenzione, si utilizzano due diversi polimeri in tandem per rendere l'indice di rifrazione effettivo combinato indipendente dalla temperatura. Indicando i due polimeri con ’A'e ' Β' , (eq. 3) e (eq. 8) di cui sopra possono essere riscritte come

Eseguendo la sostituzione precedente si ottiene

e ridisponendo e raccogliendo i termini in T,

Così, per l'indipendenza dalla temperatura utilizzando due polimeri e prendendo in considerazione le dipendenze di secondo ordine degli indici di rifrazione effettivi dei tre materiali (il vetro e i polimeri A e B), è sufficiente che il vetro, i polimeri e Δl siano scelti in modo tale che:

e

I valori di ni ed ni per il vetro e i due polimeri possono essere determinati a livello sperimentale come descritto in precedenza, così rimane solo da determinare incrementi di lunghezza fisica adatti. Le equazioni (eq. 28) e (eq. 29) forniscono soltanto due equazioni per correlare le tre lunghezze sconosciute ΔLg, ΔLAe ΔLB, in modo che soltanto le lunghezze relative vengano derivate nel seguente modo:

Insieme a (eq. 26) (a T = 0), che vincola i tre ΔL nell'ordine per ottenere una lunghezza d'onda centrale desiderata, le tre equazioni correlano i tre ΔL. In forma di matrice, le tre equazioni possono essere espresse come:

Di conseguenza, i tre AL possono ora essere calcolati unicamente come segue:

Una forma di realizzazione di AWG che incorpora due polimeri ha la stessa struttura delle figure 4 e 5, ma alcune delle fessure 430 sono riempite con il polimero A e le restanti sono riempite con polimero B. In una forma di realizzazione, polisilossani (elastomeri di silossano) sono utilizzati per entrambi i polimeri A e B, Il polisilossano A è costruito in modo da abbinarsi all’indice di rifrazione del vetro, e il polisilossano B è costruito in modo da avere una temperatura di transizione vetrosa superiore a quella del polimero A. Le fessure di polimero A possono essere tutte raggruppate insieme in una forma di realizzazione, ma in un'altra forma di realizzazione esse sono distribuite tra le fessure di polimero B. Le fessure diverse sono allocate su un polimero o sull'altro in modo tale che una si sposti lateralmente attraverso i percorsi ottici, dai percorsi che hanno guide d’onda 418 più corte verso percorsi che hanno guide d'onda 418 più lunghe, la lunghezza del percorso fisico totale del polimero A incontrata dalla energia ottica aumenta in modo incrementale di ΔLAda ciascun percorso verso il percorso adiacente successivo, la lunghezza del percorso fisico totale del polimero B incontrata dall'energia ottica aumenta in modo incrementale di ΔLB, da ciascun percorso verso il percorso adiacente successivo, e la lunghezza del percorso fisico totale di segmenti non fessurati incontrati dall'energia ottica aumenta in modo incrementale di ΔLg, da ciascun percorso verso il percorso adiacente successivo, dove ΔLA, ΔLBe ΔLgsono dati da (eq. 33) riportata sopra.

Come esempio riteniamo sia auspicato rendere indipendente dalla temperatura in modo quadratico l'AWG la cui dipendenza dalla temperatura di lunghezza d’onda centrale è come mostrato nella curva 310 nella figura 3. Supponiamo che l'AWG sia prevalentemente silice e l’indice di rifrazione del materiale di silice venga misurato a diverse temperature attraverso e oltre un intervallo di temperature operative desiderato da -30°C a 70°C. I dati vengono quindi adattati alla funzione quadratica in T, e si riscontra che i coefficienti di ordine zero, primo e secondo sono i seguenti:

La figura 6 è un grafico dei dati sperimentali con la funzione polinomiale di secondo ordine definita dai coefficienti interessati di cui sopra. Si può osservare che l'adattamento ad un polinomio di second'ordine appare molto buono, di gran lunga migliore di quanto una linea retta si adatterebbe agli stessi dati. Si può anche osservare che l'indice varia positivamente con la temperatura (n1g>0), e che la curva è leggermente concava quando vista dall'alto (n2g>0).

Al fine di rendere indipendente dalla temperatura questo AWG, vengono scelti due polimeri, il polimero A e il polimero B. L'indice di rifrazione del polimero A viene misurato a diverse temperature attraverso e oltre un intervallo di temperature operative desiderato da -30°C a 70°C, e i dati sono adatti ad un'altra funzione quadratica in T. È stato riscontrato che i coefficienti di ordine zero, primo e secondo sono i seguenti:

La figura 7 è un grafico dei dati sperimentali del polimero A con la funzione polinomiale di secondo ordine definita dai coefficienti interessati di cui sopra. Si può osservare che anche l’indice per questo polimero A varia in modo negativo con la temperatura (n1A<0), e che la curva è leggermente concava quando vista dall’alto.

In modo simile, l’indice di rifrazione del polimero B viene misurato a diverse temperature attraverso e oltre un intervallo di temperature operative desiderato da -30°C a 70°C, e i dati sono adatti ad ancora un'altra funzione quadratica in T. È stato riscontrato che i coefficienti di ordine zero, primo e secondo sono i seguenti:

La figura 8 è un grafico dei dati sperimentali del polimero B con la funzione polinomiale di secondo ordine definita dai coefficienti interessati di cui sopra. Si può osservare inoltre che l'indice per questo polimero B varia anche negativamente con la temperatura (n1B<0), e che la curva è leggermente convessa quando vista dall'alto.

Si può intuire dalle curve delle figure 7 e 8 che i due polimeri potrebbero incontrare il termine lineare della dipendenza dalla temperatura della silice di figura 6, se presente per una percentuale sufficiente dei percorsi ottici, dato che i grafici nelle figure 7 e 8 sono inclinati in una direzione opposta a quella di figura 6. È possibile anche intuire dalle concavità/convessità delle curve delle figure 7 e 8, che i due polimeri possono anche avere un effetto di appiattimento sulla dipendenza dalla temperatura della silice, di nuovo se presente in rapporti adatti. Infatti questo è vero. Utilizzando i coefficienti di primo e di secondo ordine determinati sopra per la silice e i due materiali polimerici, e utilizzando (eq. 33) riportata sopra, i AL vengono calcolati come segue:

Un AWG prodotto utilizzando i tre materiali di cui sopra e secondo i AL presenta un dipendenza dalla temperatura di lunghezza d'onda centrale come mostrato nella curva 330 di figura 3. È possibile osservare che questo dispositivo presenta uno spostamento di lunghezza d'onda centrale in funzione della temperatura che non supera per più di 5 pm un intervallo di temperatura aumentato da -30°C a 70°C, un miglioramento enorme rispetto ai dispositivi resi indipendenti dalla temperatura in modo lineare, convenzionali. Pertanto, si può osservare che un AWG che utilizza due polimeri e caratterizzato nel secondo ordine come descritto qui, possa ottenere un intervallo di temperatura di gran lunga superiore oppure canali molto più intensamente impacchettati, o entrambe le cose, rispetto a quanto possa fare un dispositivo convenzionale.

Il rapporto di ΔLAa ΔLBè dato da [eq. 30). Se le fessure sono sagomate e dimensionate in modo tale che lungo ciascun percorso ottico dato, tutte le fessure presentino la stessa distanza di propagazione polimerica nel percorso ottico dato, allora il rapporto delle distanze ΔLA/ΔLBin (eq. 30) si riduce per semplificare un rapporto del numero di fessure da riempire con il polimero A al numero di fessure da riempire con il polimero B. Nell'esempio di cui sopra, il rapporto desiderato di ΔLAa ΔLBpuò essere ottenuto all'incirca utilizzando 23 fessure riempite con polimero A e 25 fessure riempite con polimero B. Polinomi di ordine arbitrario, numeri arbitrari dei materiali

L'analisi di cui sopra può essere estesa a qualsiasi ordine Q di polinomio di modellazione, e a sistemi di materiali aventi qualsiasi numero X di materiali diversi. Ciò può essere ottenuto scrivendo per ciascun materiale x:

dove

e riscrivendo l'equazione di lunghezza d’onda centrale come:

(dove in questa equazione il pedice su n e AL rappresenta il numero del materiale). L'equazione di indipendenza dalla temperatura può quindi essere riscritta in forma di matrice come:

e ΔLx è l'incremento della lunghezza di percorso fisica totale del materiale x tra percorsi ottici adiacenti. In queste discussioni, uno dei materiali X è un materiale "di base", in cui viene costruita gran parte del dispositivo e in cui sono formate le regioni di compensazione. I materiali X-1 restanti sono talvolta denominati qui "materiali di compensazione" poiché compensano l'indipendenza dalla temperatura del materiale di base. Nelle forme di realizzazione descritte sopra, il materiale di base è silice e i materiali di compensazione sono tutti polimeri. Dato che non è così in altre forme di realizzazione, non si fa nessuna distinzione tra materiali polimerici e materiali di vetro.

L'equazione (eq. 36) in combinazione con (eq. 37) rendono un sistema di equazioni Q+1 in incognite X, che ha un’unica soluzione quando il numero di materiali X nel sistema è maggiore del termine di ordine superiore Q dei polinomi utilizzati per rimodellare i materiali. Pertanto, se si desidera modellare i materiali utilizzando polinomi di ordine Q, allora i valori per AL possono essere calcolati in modo unico se materiali differenti Q+l vengono utilizzati nel sistema di materiali.

Se X=Q materiali vengono utilizzati nel sistema di materiali, allora (eq. 37) ha una soluzione soltanto se det(N)=0 (cioè, una delle file della matrice N in (eq. 38) è una combinazione lineare delle altre file). Per esempio, per la modellizzazione di secondo ordine (Q=2) delle dipendenze dalla temperatura dell'indice di rifrazione, utilizzando soltanto due materiali (X=2) (cioè, una silice e un polimero), (eq.37) richiede

:

A seconda dei valori di questi parametri può essere possibile costruire un polimero che soddisfi (eq. 40) al fine di creare un AWG a polimero unico avente sostanzialmente un rapporto piatto [di secondo ordine) della lunghezza d’onda centrale alla temperatura.

Se X<Q materiali vengono utilizzati nel sistema dei materiali, allora (eq. 37) richiede che tutte le file nella matrice N in (eq. 38) avente un primo pedice maggiore di q=X-1 siano una combinazione lineare delle prime linee X-1. Ciò pone restrizioni aggiuntive sul rapporto tra i coefficienti.

In entrambi i casi (X=Q e X<Q), pertanto, l’equazione di indipendenza dalla temperatura specifica l'intercorrelazione tra i coefficienti dell'espansione di Taylor delle dipendenze dalla temperatura dell’indice di rifrazione dei vari materiali, oltre a specificare intercorrelazioni tra gli incrementi di lunghezza di percorso fisico per i diversi materiali. Pur non precludendo necessariamente una soluzione, le specifiche aggiuntive possono complicare in modo significativo l'identificazione di materiali soddisfacenti.

Ciononostante, anche se non si trovano i materiali che soddisfino i rapporti del coefficiente di espansione di Taylor, è ancora possibile migliorare la resa di indipendenza dalla temperatura del dispositivo risultante in modo significativo scegliendo ΔL in modo da ottimizzare l'errore di lunghezza d'onda centrale nell’intervallo di temperature che interessa. Un'analisi di minimizzazione di errore numerico, che trova il vettore che minimizza la variazione in λcin (eq.

36) nell'intervallo di temperatura che interessa, può essere utilizzata per questo scopo. Sono possibili anche molte varianti riguardo a questo argomento, come per esempio la ponderazione dei dati sperimentali per dare una maggiore influenza a un segmento dell'intervallo di temperatura generale che interessa.

Se più Q+1 di materiali sono disponibili per l'uso (cioè X>Q+1), allora sono possibili soluzioni multiple e una di esse può essere selezionata in base ad altri criteri.

Si apprezzerà che (eq. 36) di cui sopra per la lunghezza d'onda centrale (eq. 37) per uno stato di comportamento indipendente dalla temperatura più in generale formano tutte le altre equazioni di cui sopra per numeri specifici di materiali e per ordini specifici di modellazione di indici polinomiali. Come utilizzato qui, ogni volta che un'equazione riportata qui generalizza un parametro numerico particolare, l'equazione ha lo scopo di rappresentare un insegnamento affermativo dell’equazione per ciascun valore del parametro. Per esempio, dato che (eq. 36 e 37) generalizzano i parametri Q e X, queste equazioni hanno lo scopo di rappresentare insegnamenti affermativi dell’equazione per ciascuna combinazione di valori per Q e X.

Modellazione del tipo di funzione non polinomiale

In gran parte della descrizione di cui sopra, si suppone che i tipi di funzione utilizzati per modellare la dipendenza dalla temperatura dell’indice di rifrazione non lineare di diversi materiali, siano polinomi. Può accadere, tuttavia, che uno o più dei materiali o non possono essere descritti facilmente da un polinomio oppure possano essere polinomi di ordine molto grande da modellare con una sufficiente accuratezza, oppure semplicemente possono richiedere un polinomio di ordine superiore rispetto al numero dei materiali di compensazione disponibili (X<Q+1). Queste situazioni possono insorgere, per esempio, per polimeri che presentano un indice relativamente improvviso di cambio di rifrazione intorno ad una temperatura all’interno dell’intervallo di temperature operative desiderato. I polimeri aventi una temperatura di transizione vetrosa all’interno dell’intervallo di temperature operative desiderato possono spesso presentare un tale cambiamento improvviso e possono beneficiare del fatto di essere modellati da un tipo di funzione non polinomiale. In queste situazioni può ancora essere vantaggioso utilizzare un sistema a tre (o più) materiali al fine di minimizzare l’errore di lunghezza d’onda attraverso l’intervallo di temperatura.

Almeno due metodologie sono disponibili per compiere questo. Primo, se i dati di dipendenza dalla temperatura dell'indice di rifrazione ottenuti empiricamente per uno o più dei materiali si adattano bene a uno o più tipi di funzione non polinomiale, allora può essere ancora possibile la soluzione con ΔL in forma chiusa sostituendo i tipi di funzione non polinomiale nell'equazione di indipendenza dalla temperatura adatta (eq. 8, 23, 27 o 37). Se i tipi di funzione precludono una soluzione algebrica di forma chiusa, oppure in assenza di tipi di funzione predeterminati per la dipendenza dalla temperatura dell’indice di rifrazione di uno o più materiali, allora si possono utilizzare programmi di ottimizzazione numerica convenzionali per trovare soluzioni numeriche per ΔL che ottimizzino il conseguimento dell’indipendenza dalla temperatura. In entrambi i casi, è ancora possibile ottenere un miglioramento sostanziale quanto alla indipendenza dalla temperatura per intervalli di temperature più ampi o utilizzando tipi di funzione non lineare per modellare la dipendenza dalla temperatura dell'indice di rifrazione di uno o più dei materiali, oppure utilizzando almeno tre materiali, o entrambi.

Considerazioni in termini di dimensione e forma delle fessure.

Le fessure 430 come mostrato in figura 4 sono ben note come triangoli curvi che sono più stretti (occupano un segmento longitudinale più corto dei percorsi ottici) in prossimità del fondo dell'illustrazione e più ampi (occupano un segmento longitudinale più lungo dei percorsi ottici) in prossimità della parte superiore della figura. Molte varianti di questa forma sono possibili. Una variante è già stata discussa, cioè che le fessure possono essere ribaltate, collocando l'estremità più stretta dei triangoli verso la parte superiore della figura e le estremità più ampia in prossimità della parte inferiore, nel caso di un materiale di compensazione il cui indice varia con la temperatura nella stessa direzione del materiale di base. In una ulteriore variante, in una forma di realizzazione che utilizza due materiali di compensazione diversi, i cui indici variano con la temperatura in direzioni opposte uno rispetto all'altro, le fessure collocate verso il primo materiale di compensazione possono essere orientate come mostrato in figura 4, mentre le fessure collocate verso il secondo materiale di compensazione possono essere ribaltate. L'orientamento delle fessure per un particolare materiale (gruppo di tutte le fessure lungo un percorso ottico) dipende dal segno di ΔL per il particolare materiale: dato che AL rappresenta l'incremento della lunghezza di percorso fisico quando si progredisce dalla parte inferiore a quella superiore in AWG di figura 4, un ΔL negativo per un particolare materiale richiede che le fessure siano orientate in modo da essere più larghe vicino alla parte inferiore piuttosto che vicino alla parte superiore.

Almeno due principi guidano le numerose variazioni che sono possibili: primo, nel gruppo attraverso tutti i materiali interposti nei percorsi ottici, l'incremento tra percorsi ottici adiacenti nella lunghezza di ciascun materiale incontrato longitudinalmente lungo un percorso ottico dovrebbe essere sostanzialmente uguale a ΔL calcolato sopra per quel materiale; secondo, i bordi a monte e a valle delle fessure dovrebbero essere sagomati e orientati in modo da minimizzare gli effetti di rifrazione, riflessione e diffrazione sull'energia ottica. Il primo principio può essere soddisfatto formando una singola fessura triangolare per ciascun materiale. Supponendo che il materiale di compensazione non fornisca una guida d'onda planare come la parte restante della regione a lastra 413, tuttavia, una singola fessura può consentire a troppa luce di fuoriuscire dalla guida d'onda verticalmente. Dividendo il triangolo in fessure multiple, ciascuna fessura può essere più stretta. Cosa più importante, quando la distanza tra le fessure multiple è scelta opportunamente, una certa perdita, che risulta in seguito alla diffrazione nella fessura, viene riaccoppiata costruttivamente sotto forma di luce guidata nella guida d'onda a valle della fessura successiva.

Le figure 9A-9F illustrano un numero di configurazioni di fessure diverse che possono essere utilizzate in diverse forme di realizzazione. Nella figura 9A, i polimeri A e B sono depositati uno a fianco all'altro all'interno di una fessura singola sagomata in modo triangolare. Nella figura 9B, due fessure sono assegnate a ciascuno dei polimeri A e B. Le fessure sono disposte in modo tale che l'energia ottica in entrata attraversi tutte le fessure di polimeri A prima di raggiungere qualsiasi delle fessure di polimero B. Nella figura 9C, i polimeri A e B sono depositati fianco a fianco all'interno di una fessura singola sagomata a forma di triangolo, e un terzo polimero, polimero C, viene depositato in una fessura separata. Il triangolo dei polimeri A/B e il triangolo del polimero C sono orientati in modo opposto. Nella figura 9D, i polimeri A e B sono depositati in due fessure triangolari separate di orientamento opposto. Nella figura 9E, due fessure sono assegnate a ciascuno dei polimeri A e B, con le fessure del polimero B disseminate tra le fessure del polimero A. La figura 9F sottolinea la libertà di scelta di forme ampiamente varie per il riempimento con un particolare materiale purché l'incremento ΔL della lunghezza di percorso fisico determinato per il particolare materiale sia soddisfatto nel gruppo attraverso tutte le regioni del materiale. In questa figura, un triangolo generale del polimero A viene frammentato in tre regioni separate 910, 912 e 914 a limiti di frammentazione arbitrari; ma il gruppo delle tre regioni soddisfa ancora l'incremento della lunghezza del percorso fisico ΔLA. Sono possibili numerose altre varianti.

I disegni delle figure 9A-9F, per semplicità di discussione illustrano le fessure sotto forma di triangoli. Resta inteso, tuttavia, che regioni di compensazione strettamente triangolari formerebbero una costante ΔLxattraverso i diversi percorsi ottici soltanto se i percorsi ottici sono paralleli uno all’altro. La figura 10 illustra approssimazioni di raggi (linee tratteggiate 1010) attraverso la regione a lastra 413 dell'AWG di figura 4 per diversi dei percorsi ottici, e si può osservare che la luce si propaga radialmente dal punto di ingresso dalla guida d'onda 412 di ingresso verso la superficie di uscita a forma di arco della lastra 413, piuttosto che propagarsi in parallelo. Affinché ciascuna fessura fornisca una costante ΔLxattraverso i percorsi ottici diversi, si può utilizzare una forma di fessura triangolare curva.

La figura 10A illustra una tale disposizione. Il disegno mostra le tre fessure, ciascuna avente una forma triangolare curva in modo tale che le differenti approssimazioni dei raggi del percorso ottico subiscano un incremento di lunghezza del percorso fisico costante attraverso ciascuna fessura. Il bordo di entrata di ciascuna fessura (cioè bordo 1018 per fessura 1012) forma un arco avente un punto centrale leggermente sfalsato in una direzione laterale del punto di ingresso della guida d'onda 412 di ingresso, e il bordo di uscita di ciascuna fessura (cioè bordo 1020 per fessura 1012) forma un altro arco avente un punto centrale leggermente sfalsato nell'altra direzione laterale dal punto di ingresso della guida d’onda di ingresso 412. Tre percorsi di approssimazione di raggi 1022, 1024 e 1026 sono illustrati in figura 10A. Un problema che si verifica con la disposizione di fessura approssimativamente concentrica della figura 10A è che l'energia ottica che si riflette all'indietro dai bordi di fessura si rifocalizzeranno approssimativamente al livello del punto di ingresso della guida d'onda di ingresso 412 e all'indietro nella guida d'onda 412. Bordi di fessura inclinati come illustrato in figura 5 possono mitigare questo problema. In alternativa oppure in aggiunta, le fessure possono essere formate in modo concentrico come mostrato nella figura 10A ma con un punto centrale che è sfalsato dal punto di ingresso della guida d'onda 412. In questo caso, l'energia ottica riflessa si riconcentrerà in un altro punto 1028, lontano dalla guida d’onda 412. Si osservi che le approssimazioni dei raggi del percorso ottico non attraversano le fessure radialmente nella disposizione della figura 10B. I calcoli geometrici sono necessari per determinare la forma adatta delle fessure al fine di formare un incremento della lunghezza del percorso fisico costante attraverso i diversi percorsi ottici.

La figura 10C illustra ancora un'altra possibile disposizione, in cui le regioni di compensazione hanno una forma rettangolare allungata piuttosto che una forma triangolare curva. Al fine di fornire lunghezze di interazione fisica maggiori per percorsi ottici nella parte superiore della figura rispetto alla parte inferiore, i rettangoli sono inclinati ad un angolo acuto Φ1 rispetto al percorso ottico centrale 1030. Si osservi che nella figura 10C, la curvatura di rifrazione dei percorsi ottici dovuta ad un materiale di compensazione dall’indice superiore nelle regioni di compensazione è evidente. Questi effetti che sono anche presenti in altre disposizioni sebbene non necessariamente mostrati esplicitamente nelle figure riportate qui, dovrebbero essere presi in considerazione quando si calcola la lunghezza del percorso fisico effettiva di ciascun percorso ottico attraverso le regioni di compensazione.

La figura 10D illustra una variazione della disposizione della figura 10C, in cui le fessure sono di forma più triangolare e orientate ad un angolo acuto maggiore Φ2rispetto al percorso ottico centrale 1030. Di nuovo, i calcoli geometrici determineranno sia la rastremazione adatta dei triangoli sia l'angolo di orientamento adatto Φ2al fine di fornire un incremento della lunghezza del percorso fisico costante attraverso i diversi percorsi ottici. Risulteranno evidenti numerose altre varianti.

Variazioni strutturali del materiale di compensazione

Le variazioni sono anche possibili nella struttura e nel contenuto dei materiali di compensazione utilizzati per riempire le fessure 430. Le figure 11A-11H illustrano diverse di queste varianti. Queste figure sono viste in sezione trasversale di una singola delle fessure, prese, per esempio, lungo il percorso ottico centrale che attraversa la guida d'onda a lastra 413. La configurazione di base come mostrata nella figura 5 è ripetuta nella figura 11 A. Si può osservare che la fessura 430 si estende verso il basso ben al di sotto del livello di nucleo 512 della guida d'onda planare 413, ed è riempita completamente di materiale A. La forma d'onda 1110 simboleggia la distribuzione dell’intensità ottica verticale dell’energia di propagazione, che è approssimativamente Gaussiana e all’incirca centrata all'interno dello strato di nucleo 512. Si può osservare che la fessura di materiale A si estende verso il basso in modo da interessare sostanzialmente tutta l'energia ottica di propagazione. La figura 11 B è una vista in sezione trasversale della disposizione della figura 9A, in cui i due materiali sono depositati fianco a fianco con un’unica fessura.

Nella figura 11F, la fessura è attaccata chimicamente all'incirca alla stessa profondità della figura HA, ma è ancora riempita con materiali nei due strati. Dapprima un materiale U viene depositato in uno strato inferiore 1120 della fessura 430, e successivamente un altro materiale V viene depositato in uno strato superiore 1122. Il materiale U viene polimerizzato oppure altrimenti stabilizzato prima della deposizione del materiale V, in modo da minimizzare oppure eliminare qualsiasi interazione tra le proprietà dell’indice dei due materiali U e V. Dato che il materiale U interessa soltanto qualche frazione a dell'energia che si propaga lungo il percorso ottico, e la parte restante dell'energia è influenzata dal materiale V, la combinazione dei materiali U e V nella fessura 430 forma effettivamente un materiale di compensazione composito avente una dipendenza dalla temperatura dell'indice di rifrazione effettiva data da αdnv/dT (1-α)dnu/dT, per un certo valore di a. La struttura della figura 11 F fornisce in questo modo un meccanismo per costruire un materiale di compensazione composito avente una dipendenza dalla temperatura desiderata dell'indice di rifrazione. Per esempio, se si desidera utilizzare un materiale di compensazione A avente una particolare dipendenza dalla temperatura dell'indice di rifrazione effettivo dnA/dT, e un incremento ΔLAdi lunghezza di percorso fisico ΔLA, un tale materiale può essere formato stratificando due materiali diversi U e V come mostrato nella figura 11 F, con spessori e profondità relativi adatti ad ottenere un opportuno valore di a. Quando un materiale di compensazione viene costruito in questo modo, il parametro a può essere utilizzato per determinare la dipendenza dalla temperatura dell’indice di rifrazione effettivo soltanto in modo approssimativo. Preferibilmente, la dipendenza dalla temperatura dell’indice di rifrazione del materiale combinato è determinata a livello sperimentale nello stesso modo descritto sopra per l'utilizzo di materiali di carica puri. Come utilizzato qui, il termine "materiale" può essere formato da uno o più altri materiali (che sono talvolta denominati qui come "submateriali"), oppure mescolati insieme, oppure stratificati, oppure combinati in qualche altro modo per formare il "materiale” generale. Nella Figura 11 F, essi sono stratificati.

Le strutture di materiale di compensazione come quella mostrata in figura 11 F possono anche essere utilizzate localmente per soddisfare le equazioni di indipendenza dalla temperatura riportate qui. Cioè, se due materiali di compensazione A e B devono essere utilizzati, allora anziché assegnare le diverse regioni di compensazione interamente a un materiale A o un materiale B, una struttura simile alla figura 11 F può essere utilizzata imcui tutte le regioni di compensazione contengono ciascuna entrambi i materiali A e B negli strati. Matematicamente, l'effetto si può riflettere nelle equazioni sostituendo per ciascuna delle variabili ΔLxdi incremento della lunghezza di percorso fisico un incremento della lunghezza di percorso fisico effettivo per il materiale X che sia più corto (nella direzione di propagazione) dell'incremento della lunghezza del percorso fisico. Cioè, si può sostituire ΔLAeff=αΔLAe ΔLBeff=(1-a) ΔLBcon ΔLAe ΔLBnelle equazioni di cui sopra. Una volta che i valori desiderati sono stati calcolati per ΔLAeffe ΔLBeffutilizzando le equazioni di cui sopra, e riconoscendo che ALA= ALBdato che entrambi i materiali condividono le stesse fessure, ΔLXe a possono essere quindi calcolati. In alternativa, l’effetto può essere riflesso nelle equazioni sostituendo αdnA/dT per dnA/dT, e sostituendo (1-α)dnB/dT con dn>B/dT. Le equazioni di cui sopra vengono quindi utilizzate per calcolare valori per ΔLAe ΔLB, e quindi un valore può essere calcolato per a riconoscendo nuovamente che ΔLA = ΔLB.

A seconda degli indici di rifrazione dei materiali U e V, la struttura della figura 11 F può introdurre perdite di inserimento dovute ad una guida indesiderata dell'energia ottica verticalmente o verso l'alto o verso il basso quando attraversa la fessura 430. Questo svantaggio può essere ridotto depositando i materiali U e V in strati multipli sottilissimi come mostrato nella figura 11 G, anziché soltanto in due strati come mostrato nella figura 11 F. In alternativa, come mostrato nella figura UH, un materiale composito può essere versato in una fessura 430 utilizzando tre strati: uno strato 1130 disposto completamente all'interno del rivestimento inferiore 510 del materiale di vetro, un secondo strato 1132 disposto ad una profondità nella fessura sostanzialmente coincidente con quella dello strato di nucleo 512, ed un terzo strato 1134 interamente all'interno dello strato di rivestimento superiore 514, I tre strati possono essere riempiti con diversi materiali U, V e W, oppure il materiale nello strato 1134 può essere scelto in modo da essere uguale a quello nello strato 1130. Il materiale nello strato 1132 ha un indice di rifrazione superiore rispetto a quello dei materiali negli strati 1130 e 1134, in modo da continuare a guidare l'energia ottica man mano che attraversa la fessura 430. Il "materiale" generale nella fessura 430, nella figura UH ha una dipendenza dalla temperatura dell'indice di rifrazione effettiva data all'incirca da αudnu/dT αvdnv/dT (1-αuαv)dnw/dT.

Nella figura 11C, la fessura 430 si estende verso il basso soltanto parzialmente nello strato di nucleo 512. Questa variante può essere ritenuta simile a quella della figura 11 F, in cui il materiale inferiore U è il volume del materiale di base al di sotto della parte inferiore della fessura 430. Se le equazioni indicano che un materiale di compensazione A dovrebbe essere interposto lungo un segmento di lunghezza L nel percorso ottico, allora, invece un materiale V differente dovrebbe essere interposto lungo il segmento di lunghezza L, ma soltanto a una profondità parziale. Il "materiale" A viene quindi qui considerato il composito stratificato del materiale V e il volume del materiale di base al di sotto della parte inferiore della fessura 430.

La figura 11 D illustra lo stesso principio della figura 11 C, ma nella figura 11 D la fessura è attaccata chimicamente soltanto verso il basso attraverso lo strato di rivestimento 510 superiore. Questa forma di realizzazione risulta in un a minore, ma altrimenti è simile a quella della figura 11C. Nella figura HE, la fessura viene attaccata chimicamente verso il basso soltanto attraverso una parte dello strato di rivestimento superiore 514. Questa forma di realizzazione risulta in un a che è addirittura minore di quello della figura 11 D, ma di nuovo è altrimenti simile a quello delle figure 11 C e 11 D. Si apprezzerà che qualsiasi numero di materiali differenti può essere combinato nei modi mostrati nelle figure 11A-11 H per creare materiali efficaci, e i meccanismi illustrati in queste figure stesse possono essere combinati uno con l'altro per creare ancora altri esempi per riempire le fessure 430. Risulteranno evidenti molte varianti.

Compensazione meccanica

Le tecniche descritte qui per migliorare il conseguimento dell'indipendenza dalla temperatura di dispositivi a reticolo ottico non sono limitate all'inserimento di materiali diversi in zone di compensazione della temperatura. Alcune delle tecniche possono anche essere applicate per migliorare altri meccanismi di conseguimento di indipendenza dalla temperatura, compresi i meccanismi meccanici. È noto, per esempio, che se una guida d’onda di entrata/uscita che porta energia ottica all’interno o fuori dalla zona di accoppiamento di ingresso o di uscita di un AWG, viene spostata lateralmente, le bande passanti di AWG si spostano a loro volta. È inoltre noto il fatto di fissare la guida d’onda di ingresso/uscita ad un meccanismo di posizionamento dipendente dalla temperatura, come per esempio una striscia bimetallica, per spostare in questo modo la posizione laterale della guida d’onda rispetto alla regione di accoppiamento automaticamente con la temperatura al fine di compensare la dipendenza dalla temperatura della parte restante dell’AWG. Tuttavia, come con altri meccanismi convenzionali, si prendono in considerazione soltanto gli effetti della temperatura di primo ordine.

La figura 12 illustra una parte di AWG che svolge una stabilizzazione della lunghezza d’onda centrale meccanica utilizzando caratteristiche della presente invenzione. In particolare, la figura 12 mostra una zona di accoppiamento di ingresso 413 e una fibra di ingresso 412 che accoppia l’energia ottica in ingresso nella faccia di ingresso 419 della zona di accoppiamento 413. La fibra non è essa stessa fissata alla faccia di ingresso 419 ma piuttosto è attaccata ad una estremità di un braccio 1210. L'estremità opposta del braccio 1210 è fissato al chip 1212 sul quale è integrata la regione 413 di accoppiamento di ingresso. Il braccio 1210 è costruito e orientato in modo da posizionare la fibra 412 lateralmente rispetto al chip 1212 (cioè nella direzione y come mostrato nella figura) in dipendenza dalla temperatura ambiente. Per esempio, un attuatore bimetallico può essere utilizzato nel braccio 1210. A differenza di sistemi resi meccanicamente indipendenti dalla temperatura, convenzionali, la forma e la costruzione del braccio 1210 è tale da compensare gli spostamenti della lunghezza d'onda centrali dipendenti dalla temperatura di ordine Q, dove Q>=2. In particolare, il braccio 1210 mantiene la fibra 412 in una posizione laterale y che è data da:

Per una compensazione di secondo ordine (Q=2), ki e k2possono essere dati da:

Si osservi che una tecnica meccanica può anche essere utilizzata insieme a una tecnica in cui materiali differenti sono inseriti nei percorsi ottici, nel qual caso Q=1 può a sua volta essere sufficiente. Di nuovo, molte altre applicazioni sono possibili le quali utilizzano aspetti della presente invenzione.

Considerazioni pratiche

In un dispositivo reale che utilizza i concetti descritti qui, si apprezzerà che può essere impossibile o commercialmente inutile abbinare le equazioni esposte sopra in modo esatto. Per esempio, i dispositivi possono deviare dalle equazioni a causa delle ordinarie tolleranze di fabbricazione. Quale altro esempio, dato che il numero totale di fessure disponibili è un intero, il rapporto del numero di fessure riempite con un polimero al numero riempito con l'altro potrebbe non essere esattamente uguale al rapporto di ΔL derivato sopra. Un dispositivo reale che devia dalle equazioni esposte sopra per qualsiasi di queste ragioni, si ritiene qui che soddisfi ancora le equazioni "sostanzialmente”. Dato che tali dispositivi faranno ancora uso dei concetti innovativi insegnati qui, essi possono essere effettuati con una resa di indipendenza dalla temperatura di gran lunga superiore rispetto ai dispositivi convenzionali, sebbene non soddisfino esattamente le equazioni.

Inoltre, mentre la resa di indipendenza dalla temperatura può essere ottenuta utilizzando le equazioni e le tecniche descritte qui, si apprezzerà che una forma di realizzazione può ancora conseguire notevoli miglioramenti in termini di resa dell'indipendenza dalla temperatura rispetto a metodi convenzionali se le equazioni e le tecniche descritte qui sono utilizzati soltanto parzialmente, oppure con un piccolo fattore di vizio. Per esempio, dove la dipendenza dalla temperatura dell'indice di rifrazione è modellata utilizzando un polinomio Q>1, e dove un sistema di materiali viene utilizzato avente un particolare numero di materiali X, (eq. 37) può essere utilizzato per risolvere per un vettore ottimale ΔL. Ma una equazione simile

può essere utilizzata al suo posto, dove p è un numero piccolo che dà ancora un AWG avente sostanzialmente una indipendenza dalla temperatura sostanzialmente migliore rispetto a quanto possibile utilizzando metodi convenzionali. Mentre una soluzione lineare, a un polimero non è in grado di produrre un AWG avente una variazione di lunghezza d'onda centrale inferiore a circa 70 pm nell'intervallo di temperature da -50 a 90°C, oppure una variazione della lunghezza d'onda centrale inferiore a circa 20 pm nell'intervallo di temperatura da 0°C a 70°C, una forma di realizzazione, a due polimeri, di secondo ordine, sviluppata utilizzando (eq. 37) può ridurre la variazione della lunghezza d'onda centrale a meno di circa 40 pm nell'intervallo di temperature da -50°C a 90°C oppure a meno di circa 10 pm nell'intervallo di temperature da 0°C a 70°C. Ma una forma di realizzazione sviluppata utilizzando (eq. 43), dove p non è esattamente zero ma è ancora relativamente piccolo, può ancora ridurre la variazione della lunghezza d'onda centrale al di sotto delle quantità convenzionalmente disponibili riportate sopra, sebbene non produca i risultati ottimali ottenuti utilizzando (eq. 37). Si ritiene qui che forme di realizzazione come questa sfruttino ancora le equazioni e le tecniche descritte qui.

La precedente descrizione di forme di realizzazione preferite della presente invenzione è stata fornita per scopi di illustrazione e descrizione. Non si intende essere esaustivi oppure limitare l'invenzione alle precise forme descritte. Ovviamente, molte modifiche e varianti risulteranno evidenti agli esperti nell’arte. Per esempio, mentre l'invenzione è stata descritta prevalentemente rispetto a multiplexer/demultiplexer AWG, essa può anche essere applicata ad altri dispositivi ottici, per esempio, senza limitazioni dispositivi a reticolo a spazio libero, come quelli descritti in Amersfoort brevetto U.S. No.

5.629.992, incorporati qui per riferimento. Quale altro esempio, uno o più dei materiali in una fessura possono effettuare una funzione di compensazione di birifrangenza oppure in aggiunta a o al posto di una compensazione termica (si veda brevetto U.S. No. 6.757.454, incorporato qui per riferimento). Inoltre, qualsiasi e tutte le varianti descritte, suggerite o incorporate per riferimento nel paragrafo "stato della tecnica" oppure qualsiasi altro paragrafo di questa domanda di brevetto sono specificamente incorporati per riferimento nella descrizione riportata qui delle forme di realizzazione dell'invenzione. Le forme di realizzazione descritte qui sono state scelte e descritte al fine di spiegare meglio i principi dell'invenzione e la sua applicazione pratica, consentendo così ad altri esperti nell'arte di comprendere l'invenzione per varie forme di realizzazione e con varie modifiche come sono adatte al particolare uso previsto. Resta inteso che la portata dell'invenzione è definita dalle seguenti rivendicazioni e loro equivalenti.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Apparecchio ottico comprendente una porta di uscita in comunicazione ottica con una porta di ingresso attraverso un reticolo di guida d'onda a schiera, l'apparecchio avendo una pluralità di bande passanti comprendenti una banda passante in oggetto, la banda passante in oggetto avendo una lunghezza d'onda centrale, in cui le derivate dal primo al Q-esimo ordine rispetto alla temperatura della lunghezza d'onda centrale, Q>=2, sono sostanzialmente uguali a zero per tutto l'intervallo di temperatura da -5°C a 70°C.
2. Apparecchio secondo la rivendicazione 1 , in cui le derivate dal primo ordine al Q-esimo ordine sono sostanzialmente uguali a zero per tutto l'intervallo di temperatura da -30°C a 70°C.
3. Apparecchio secondo la rivendicazione 1 , comprendente una pluralità di percorsi ottici che portano energia ottica dalla porta di ingresso alla porta di uscita, attraverso una pluralità di materiali, ciascuno dei materiali avendo una dipendenza dalla temperatura dell'indice di rifrazione effettiva che differisce da quella degli altri materiali.
4. Apparecchio secondo la rivendicazione 1 , comprendente: una guida d'onda in comunicazione ottica con una particolare delle porte di entrata e di uscita; e un elemento di compensazione della temperatura che regola la posizione fisica della guida d'onda rispetto al reticolo di guida d'onda a schiera in dipendenza dalla temperatura.
5. Apparecchio ottico comprendente una pluralità di percorsi ottici attraverso un sistema di materiali, ciascuno dei percorsi ottici avendo una lunghezza di percorso ottico effettivo, rispettiva che differisce da quella di un percorso ottico adiacente di una differenza di lunghezza di percorso ottico effettiva rispettiva, in cui le derivate dal primo ordine al Q-esimo ordine rispetto alla temperatura di ciascuna delle differenze di lunghezza d’onda ottica, Q>=2, sono sostanzialmente uguali a zero per tutto l'intervallo di temperatura da -5°C a 70°C.
6. Apparecchio secondo la rivendicazione 5, in cui le derivate dal primo al Q-esimo ordine sono sostanzialmente uguali a zero per tutto l'intervallo di temperatura da -30°C e 70°C.
7. Apparecchio secondo la rivendicazione 5, in cui ciascuno dei percorsi ottici attraversa una pluralità di materiale, ciascuno dei materiali avendo una dipendenza dalla temperatura dell'indice di rifrazione effettiva che differisce da quella degli altri materiali.
8. Apparecchio ottico comprendente una pluralità di percorsi ottici attraverso un sistema di materiali, ciascuno dei percorsi ottici attraversando almeno tre materiali, ciascuno dei materiali avendo una dipendenza dalla temperatura dell'indice di rifrazione effettiva che differisce da quella degli altri materiali, ciascuno dei percorsi ottici avendo una lunghezza di percorso ottico effettiva rispettiva che differisce da quella di un percorso ottico adiacente di una differenza di lunghezza di percorso ottico effettiva rispettiva, in cui le derivate dal primo ordine al Q-esimo ordine rispetto alla temperatura di ciascuna delle differenze di lunghezze di percorso ottico, Q>=1, sono sostanzialmente uguali a zero per tutto l'intervallo di temperature da -5C a 70C.
9. Apparecchio secondo la rivendicazione 8, in cui le derivate dal primo ordine al Q-esimo ordine sono sostanzialmente uguali a zero da -30C a 70C.
10. Apparecchio a reticolo di lunghezza d'onda a schiera avente una pluralità di percorsi ottici da un ingresso ad un’uscita comprendente un materiale di base e almeno una regione di compensazione, l'almeno una regione di compensazione contenendo collettivamente almeno un primo e un secondo materiale di compensazione intersecanti i percorsi ottici ed avendo dipendenze dalla temperatura dell'indice di rifrazione effettiva che differiscono una dall'altra e da quella del materiale di base.
11. Apparecchio secondo la rivendicazione 10, in cui una prima delle regioni di compensazione comprende sia il primo sia il secondo materiale di compensazione.
12. Apparecchio secondo la rivendicazione 11 , in cui il primo e il secondo materiale di compensazione sono disposti in strati diversi nella prima regione di compensazione.
13. Apparecchio secondo la rivendicazione 11 , in cui la prima regione di compensazione comprende inoltre un terzo materiale di compensazione, in cui il primo materiale di compensazione è disposto in uno strato inferiore nella prima regione di compensazione, il secondo materiale di compensazione è disposto in uno strato mediano nella prima regione di compensazione, e il terzo materiale di compensazione è disposto in uno strato superiore nella prima regione di compensazione, e in cui il secondo materiale di compensazione ha un indice di rifrazione superiore a quello sia del primo che del terzo materiale di compensazione.
14. Apparecchio secondo la rivendicazione 13, in cui l'apparecchio a reticolo di lunghezza d'onda a schiera comprende nel materiale di base uno strato di rivestimento inferiore, uno strato di nucleo sovrapposto alla regione di rivestimento inferiore e uno strato di rivestimento superiore sovrapposto allo strato di nucleo, in cui il secondo materiale di compensazione è sostanzialmente complanare con lo strato di nucleo nel materiale di base.
15. Apparecchio secondo la rivendicazione 10, in cui una delle regioni di compensazione comprende il primo materiale di compensazione e non il secondo materiale di compensazione.
16. Apparecchio secondo la rivendicazione 10, in cui l'almeno una regione di compensazione contiene collettivamente una pluralità di materiali di compensazione comprendente il primo e il secondo materiale di compensazione, tutti i materiali di compensazione nella pluralità dei materiali di compensazione intersecando percorsi ottici ed avendo dipendenze dalla temperatura dell'indice di rifrazione effettiva effettivo che differiscono l'una dall'altra e da quella del materiale di base. e in cui ciascuna regione di compensazione comprende esattamente uno dei materiali di compensazione.
17. Apparecchio secondo la rivendicazione 10, in cui il primo materiale di compensazione comprende una pluralità composita di sub-materiali, la dipendenza dalla temperatura dell’indice di rifrazione effettiva del composito essendo l’indice effettivo di rifrazione del primo materiale di compensazione.
18. Apparecchio secondo la rivendicazione 17, in cui i submateriali sono stratificati per formare il composito.
19. Apparecchio secondo la rivendicazione 17, in cui un primo dei sub-materiali è lo stesso del materiale di base e un secondo dei sub-materiali ha una dipendenza dalla temperatura dell’indice di rifrazione effettivo che differisce da quella del materiale di base e da quella del composito.
20. Apparecchio secondo la rivendicazione 10, in cui il primo materiale compensa inoltre la birifrangenza del materiale di base.
21. Apparecchio a reticolo di guida d’onda a schiera avente una pluralità di percorsi ottici da un ingresso ad un'uscita, comprendente un materiale di base e una pluralità di regioni di compensazione, un primo sottogruppo di almeno una delle regioni di compensazione contenendo un primo materiale di compensazione ed un secondo sottogruppo di almeno una delle fessure contenendo un secondo materiale di compensazione, in cui il primo e il secondo materiale di compensazione hanno dipendenze dalla temperatura dell'indice di rifrazione effettiva che differiscono una dall'altra e da quella del materiale di base.
22. Apparecchio secondo la rivendicazione 21, in cui il materiale di base comprende silice e il primo e il secondo materiale di compensazione sono polimeri.
23. Apparecchio ottico comprendente un dispositivo a reticolo di guida d'onda a schiera, comprendente una parte di uscita in comunicazione ottica con una porta di ingresso attraverso un reticolo di guida d’onda a schiera, in cui l'apparecchio ha una pluralità di bande passanti e comprendenti una banda passante in oggetto, la banda passante in oggetto avendo una lunghezza d'onda centrale e in cui la lunghezza d'onda centrale varia di meno di 70 pm nell'intervallo di temperatura da -50C a 90C.
24. Apparecchio secondo la rivendicazione 23, in cui la lunghezza d'onda centrale varia di non più di 40 pm nell'intervallo di temperatura da -50C a 90C.
25. Apparecchio ottico comprendente un dispositivo a reticolo di guida d'onda a schiera, comprendente una porta di uscita in comunicazione ottica con una porta di ingresso attraverso un reticolo di guida d'onda a schiera, in cui l'apparecchio ha una pluralità di bande passanti comprendenti una banda passante in oggetto, la banda passante in oggetto avendo una lunghezza d'onda centrale e in cui la lunghezza d'onda centrale varia di meno di 20 pm nell'intervallo di temperatura da 0C a 70C.
26. Apparecchio secondo la rivendicazione 25, in cui la lunghezza d’onda centrale varia di non più di 10 pm nell’intervallo di temperatura da 0C a 70C.